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【引言】

氣凝膠是具有納米孔結構的超輕固體材料，用氣體代替凝膠中的液體組分即可獲得氣凝膠。連續的網絡結構使氣凝膠具有極低密度、超高比表面積和極低熱導率等特性，使其在催化劑載體、環境凈化、能量存儲和熱管理等領域具有重要意義。與氣凝膠塊體或氣凝膠纖維相比，氣凝膠薄膜不僅具有氣凝膠的多孔性，還具有薄膜的結構特性，在電池、超級電容器、個人可穿戴設備、水凈化等新興領域具有廣闊的應用前景。其中無機氣凝膠薄膜由于構成氣凝膠骨架的無機納米顆粒（如二氧化硅、金屬納米顆粒）之間的弱交聯，通常難以形成自支撐的氣凝膠薄膜。與無機氣凝膠薄膜相比，有機高分子氣凝膠薄膜往往具有更好的力學性能。然而，有機氣凝膠薄膜的電/熱導率通常較低、顏色較淺、因此不能采用電/光的方式進行驅動。而碳基（如石墨烯、碳納米管、碳納米纖維）氣凝膠薄膜具有良好的導電、導熱性能，在傳感器、熱調節、儲能和電磁屏蔽（EMI）等方面具有廣闊的應用前景。因此，將芳綸納米纖維與碳納米管復合，從而制備出有機/碳雜化氣凝膠薄膜，可同時獲得優異的力學性能和電學性能。

【成果簡介】

近日，在中科院蘇州納米技術與納米仿生研究所張學同教授和海南大學陳永平教授團隊（共同通訊作者）帶領下，展示了一種多功能氣凝膠薄膜。該薄膜由芳綸納米纖維（ANFs）、導電碳納米管（CNTs）和氟碳樹脂（FC）組成。所得混合氣凝膠薄膜具有較大的比表面積（232.8 m2·g^-1）、高電導率（230 S·m^-1）和優異的疏水性（接觸角高達137.0°），具有優異的焦耳熱效應和電磁屏蔽（EMI）性能。FC涂層使親水的ANF/CNT氣凝膠薄膜具有疏水性，具有出色的自清潔性能。高電導率可實現低電壓驅動的焦耳加熱性能，并在厚度為568μm的X波段實現54.4 dB的電磁屏蔽效能（SE）。比電磁屏蔽效能高達33528.3 dB·cm²·g^-1。這種多功能氣凝膠薄膜在智能服裝、電磁波屏蔽和個人熱管理系統方面有著巨大的應用前景。相關成果以題為“Multifunctional Aramid Nanofiber/Carbon Nanotube Hybrid Aerogel Films”發表在了ACS Nano上。

【圖文導讀】

圖1 FC-ANF/CNT雜化氣凝膠膜的制備示意圖

圖2 FC-ANF/CNT雜化氣凝膠薄膜的特征

（a）FC-ANF/CNT氣凝膠薄膜的照片。

（b）雜化氣凝膠薄膜在彎曲、卷曲和扭曲下的照片。

（c）冷凍干燥的FC-ANF/CNT氣凝膠薄膜的SEM圖像。

（d）CNT、ANF、ANF/CNT、FC-ANF/CNT氣凝膠薄膜的氮吸附-解吸等溫曲線。插圖是它們的孔尺寸。

（e, f）CNT、ANF、ANF/CNT、FC-ANF/CNT氣凝膠薄膜的（e）XRD圖譜和（f）拉曼光譜。

（g）不同CNT含量的FC-ANF/CNT氣凝膠薄膜的應力-應變曲線。

（h）不同CNT含量的FC-ANF/CNT氣凝膠薄膜的楊氏模量和極限強度。

（i）循環拉伸模式驗證FC-ANF/CNT氣凝膠薄膜的抗疲勞性。

圖3 FC-ANF/CNT氣凝膠薄膜的疏水性能

（a₁）FC-ANF/CNT氣凝膠薄膜的接觸角照片。

（a₂）FC-ANF/CNT氣凝膠薄膜表面上不同酸堿性液滴的形態：堿液（藍色，pH 12）、純水（黃色，pH 7）和酸液（紅色，pH 2）。

（b）FC-ANF/CNT氣凝膠薄膜上熱水滴的紅外圖像和接觸角照片。

（c, d）FC-ANF/CNT氣凝膠薄膜的自清潔性能。

（e）手指擦拭前后接觸角。插圖是第20周手指擦拭前后的接觸角和手指擦拭測試的照片。

圖4 FC-ANF/CNT氣凝膠薄膜的焦耳熱特性

（a）具有不同CNT含量的FC-ANF/CNT氣凝膠薄膜的電導率。

（b）FC-ANF/CNT氣凝膠薄膜在不同電壓下的電加熱性能。

（c）FC-ANF/CNT氣凝膠薄膜在電壓逐步增加/減少的情況下的溫度變化。插圖中的紅外圖像顯示了在4 V電壓下薄膜的非潤濕狀態。

（d）FC-ANF/CNT在10 V恒定電壓下的溫度穩定性。

（e）FC-ANF/CNT氣凝膠薄膜在10 V下的循環焦耳熱性能。

圖5 FC-ANF/CNT氣凝膠薄膜的EMI屏蔽性能

（a）568μm厚度下，不同CNT含量的FC-ANF/CNT氣凝膠薄膜的EMI SE。

（b）不同CNT含量的FC-ANF/CNT氣凝膠的EMI SE_A。

（c）FC-ANF/CNT氣凝膠薄膜吸收和反射對總EMI SE （在12.3 GHz處）的貢獻（CNT含量的函數）。

（d）不同厚度的FC-ANF/CNT薄膜的EMI SE（CNT含量為27 wt％）。

圖6 FC-ANF/CNT氣凝膠薄膜的EMI屏蔽機制

（a）提出了FC-ANF/CNT氣凝膠薄膜的EMI屏蔽機制。

（b）FC-ANF/CNT氣凝膠薄膜的EMI屏蔽性能與其他屏蔽材料（金屬、納米碳、導電聚合物等）在X波段進行比較。

（c）FC-ANF/CNT氣凝膠薄膜的比電磁屏蔽效率（SSE/t）與其他屏蔽材料進行比較。

【小結】

總之，采用了一種高效、簡單的方法來制備柔性、疏水、自支撐的FC-ANF/CNT雜化氣凝膠薄膜。FC樹脂使初始的親水氣凝膠薄膜具有疏水性和自清潔性，可在惡劣環境下，提供長期穩定性。FC-ANF/CNT雜化氣凝膠薄膜具有優異的焦耳熱效應，具有加熱速率塊、驅動電壓低、加熱可靠性高、穩定性和重復性好等優點。此外，FC-ANF/CNT氣凝膠薄膜具有良好的電磁屏蔽性能。在X波段厚度為568μm時， EMI SE值為54.4 dB，而SSE/t值高達33528.3 dB·cm²/g。這種多功能的FC-ANF/CNT氣凝膠薄膜將在智能薄膜、可穿戴電子設備、EMI屏蔽服裝和個人熱管理系統等領域具有應用前景。